雙處理器在變電站監(jiān)控中-應(yīng)用研究

1、雙處理器在變電站監(jiān)控中-應(yīng)用研究            摘要：本文分析了變電站監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展要求，并以工程應(yīng)用為切入點(diǎn)，初步討論了變電站監(jiān)控單元對(duì)DSP+MCU雙處理器模式的需要;介紹了DSP、MCU的技術(shù)背景;闡述了DSP與MCU間的數(shù)據(jù)通信方式;提出了一種基于DSP+MCU雙處理器模式的高性能變電站監(jiān)控單元的實(shí)現(xiàn)實(shí)例;并指出了DSP、MCU走向融合的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：變電站監(jiān)控；DSP；數(shù)據(jù)通信；嵌入式以太網(wǎng)0  引言   

2、; 隨著變電站自動(dòng)化程度的不斷提高，對(duì)作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、控制為目的的監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求：除了在監(jiān)測(cè)、控制的量上有較大增加外，對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、控制操作的快速性、分析手段的多樣性、分析算法的復(fù)雜性、通信方式的靈活性等都提出了更苛刻的要求。在大數(shù)據(jù)處理容量、復(fù)雜分析算法、先進(jìn)的通信方式面前，采用單一的DSP或MCU處理器構(gòu)筑的硬件平臺(tái)明顯力不從心。采用DSP+MCU雙處理器模式，利用DSP芯片較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析、計(jì)算，外加一款具有較強(qiáng)通信處理能力的MCU以迎合現(xiàn)場(chǎng)對(duì)通信技術(shù)的要求，不失為一種兩全其美的解決辦法。1  技術(shù)背景1.1&

3、#160; 變電站監(jiān)控    變電站監(jiān)控的主要任務(wù)就是采集所在發(fā)電廠或變電站表征電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的模擬量和狀態(tài)量，并向調(diào)度中心傳送這些模擬量和狀態(tài)量，執(zhí)行調(diào)度中心下發(fā)的控制和調(diào)節(jié)命令。監(jiān)控單元是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的前置I/O模塊，直接和現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備相連，是數(shù)據(jù)采集、處理、控制操作的核心，因此其性能的高低直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。早期的監(jiān)控單元是由一些分立元件構(gòu)成，它所能處理的信息量很少，功能極為簡(jiǎn)單。隨著微處理器技術(shù)的運(yùn)用，監(jiān)控單元也發(fā)展到了以單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)，但在數(shù)據(jù)采集、處理量較少、精度要求不高，對(duì)通信的實(shí)時(shí)性、先進(jìn)性也沒(méi)有太嚴(yán)格要求

4、的情況下，采用單片低價(jià)位8位或16位MCU就可以實(shí)現(xiàn)。    隨著變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展以及分析算法、分析手段的提高，越來(lái)越多的用戶特別是一些特殊用戶（如高壓、超高壓變電站、電氣化鐵路牽引變電所、大型企業(yè)變電所等）對(duì)變電站監(jiān)控的設(shè)計(jì)需求也越來(lái)越高，如：能夠?qū)崟r(shí)分析高次諧波、能夠計(jì)算序分量從而分析電能質(zhì)量、能夠進(jìn)行控制操作的邏輯閉鎖等，從而涉及到高速數(shù)據(jù)采樣及處理；在通信上，對(duì)通信的實(shí)時(shí)性、可靠性、先進(jìn)性要求也越來(lái)越高，嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)、雙現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也相繼在變電站監(jiān)控單元中采用。在此背景下，采用DSP+MCU雙處理器模式可以較好的解決復(fù)雜數(shù)據(jù)處理與先進(jìn)的

5、通信技術(shù)之間的矛盾。1.2 DSP芯片的特點(diǎn)    DSP，又稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)算法處理，其主要技術(shù)特征：    a. 硬件上采用多總線哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)的處理能力和速度。    b. 指令執(zhí)行采用流水作業(yè)，具有較高的指令執(zhí)行速度。    c. DSP內(nèi)部一般都包括有多個(gè)處理單元，如算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、輔助寄存器運(yùn)算單元、累加器以及硬

6、件乘法器等，它們可以在一個(gè)指令周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行計(jì)算。    d. 內(nèi)部具有獨(dú)立的DMA總線控制器，可以實(shí)現(xiàn)程序執(zhí)行與數(shù)據(jù)傳輸并行工作。    e. 具有多處理器接口，為使用嵌入式子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大型和復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。因此DSP特別適合于大容量、高復(fù)雜數(shù)據(jù)處理的場(chǎng)合，在變電站監(jiān)控中DSP芯片作為監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和處理的核心。1.3 MCU的功能定位與選型    MCU即嵌入式微處理器。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的提高，MCU不斷產(chǎn)生新的變化和進(jìn)步，與微

7、機(jī)之間的性能差距越來(lái)越小，并且集成度越來(lái)越高，功耗越來(lái)越低。    在百花齊放的MCU家族中，要做出最優(yōu)的選擇確實(shí)是件令設(shè)計(jì)師頭疼的事。根據(jù)前述DSP和MCU在變電站監(jiān)控單元中扮演的角色，MCU側(cè)重于處理通信任務(wù)。對(duì)于采用了雙處理器模式且DSP芯片已經(jīng)承擔(dān)了大部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算、處理的場(chǎng)合， MCU的選型應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：    a. 系統(tǒng)擬采用的通信方式MCU的選型一定程度上取決于監(jiān)控單元所采用的通信方式。如果系統(tǒng)采用CAN總線互連，則可選擇一款具有CAN總線接口的MCU芯片；如果采用嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)，則可選擇具有

8、以太網(wǎng)接口的MCU芯片。雖然可以通過(guò)外擴(kuò)協(xié)議芯片的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的通信方式，但這樣做會(huì)較大地增加系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)銷。    b. MCU的資源能否滿足要求、外圍接口是否方便根據(jù)監(jiān)控單元的功能定位，對(duì)MCU的資源進(jìn)行審查：包括總線位數(shù)（8位、16位、32位）、主頻、指令周期、尋址空間、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器、外圍接口等，由此判斷能否滿足設(shè)計(jì)需要，并留有適當(dāng)?shù)脑Ａ恳詡湎到y(tǒng)升級(jí)。    c. 開(kāi)發(fā)工具是否完備、編程是否方便    開(kāi)發(fā)環(huán)境的好壞直接影響到產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。是否有嵌入式實(shí)時(shí)多任

9、務(wù)操作系統(tǒng)的支持，是否支持高級(jí)語(yǔ)言編程，是否可以在線對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真調(diào)試等都是需要重點(diǎn)考慮的因素。    d. 價(jià)格是否合理    最后要看MCU芯片的價(jià)位是否在容許的范圍內(nèi)，短期內(nèi)貨源是否正常，價(jià)位是否會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)等。2  DSP與MCU間的數(shù)據(jù)交互    在以DSPMCU雙處理器為核心的智能單元中，二者之間的數(shù)據(jù)通信是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，直接影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃?，常?jiàn)的數(shù)據(jù)交互方式有以下三種：2.1 采用雙端口RAM  

10、;  采用雙端口RAM解決雙處理器間的數(shù)據(jù)通信問(wèn)題是最常用的方式，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖一所示：    MCU為SPI的主設(shè)備，掌握通信的主動(dòng)權(quán)，產(chǎn)生片選、時(shí)鐘信號(hào)；DSP為SPI的從設(shè)備，被動(dòng)的接收主機(jī)命令，并將主機(jī)所需信息放在主機(jī)的SIN引腳上；在這種主從式的結(jié)構(gòu)中，從機(jī)沒(méi)有主動(dòng)發(fā)言權(quán)。    優(yōu)點(diǎn)：接口簡(jiǎn)單，只需四根信號(hào)線。    缺點(diǎn)：實(shí)時(shí)性不好；占用處理器資源，如兩邊的處理器沒(méi)有專用通信協(xié)處理器或足夠的FIFO，在通信過(guò)程中將頻繁地產(chǎn)生收、發(fā)中斷；需要加

11、載一定的通信協(xié)議，因此軟件實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜。    2.3 采用HPI2    TI公司的TMS320C5000和TMS320C6000系列較多款DSP中含有HPI（即主機(jī)接口），用來(lái)與主設(shè)備或主處理器接口。外部主機(jī)是HPI的主控者，它可以通過(guò)HPI直接訪問(wèn)DSP的存儲(chǔ)空間，包括存儲(chǔ)器映像寄存器。    HPI主要由以下5個(gè)部分組成：HPI存儲(chǔ)器（DARAM），主要用作與主機(jī)傳送數(shù)據(jù)；HPI地址寄存器，存放主機(jī)當(dāng)前尋址HPI存儲(chǔ)單元的地址；HPI數(shù)據(jù)鎖存器，用于存放主機(jī)正要讀寫(xiě)

12、的數(shù)據(jù)；HPI控制寄存器，用于DSP或主機(jī)間的控制操作；HPI控制邏輯，用于處理HPI與主機(jī)之間的接口信號(hào)。    當(dāng)DSP與主機(jī)交換信息時(shí)，HPI是主機(jī)的一個(gè)外圍設(shè)備。DSP和主機(jī)可以在共用尋址方式下對(duì)HPI進(jìn)行操作，主機(jī)和DSP都能尋址HPI存儲(chǔ)器，異步工作的主機(jī)的尋址可以在HPI內(nèi)部重新得到同步。如果DSP與主機(jī)的周期發(fā)生沖突，則主機(jī)具有尋址優(yōu)先權(quán)，DSP等待一個(gè)周期。3.1  主要芯片介紹：    在本例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用TI公司最新推出的ADS8364芯片：16位精度，6通道同步采樣，

13、采樣速率250KHz，并行接口。此AD芯片與處理器接口簡(jiǎn)單，控制方便，且可以同時(shí)將一條線路的所有電壓、電流量采出，為后續(xù)的高級(jí)分析、計(jì)算提供了條件。    數(shù)字信號(hào)處理器選擇了美國(guó)TI公司的TMS320C5000系列中的一款16位定點(diǎn)DSP芯片 TMS320VC5402，其在通信與信息系統(tǒng)、信號(hào)與信號(hào)處理和自動(dòng)化控制領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用，除具有其它DSP芯片的特點(diǎn)外，還具有一個(gè)8位的HPI接口，指令執(zhí)行速度達(dá)100MIPS。其與MCU接口方便，且適于大容量數(shù)據(jù)處理和較復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)。    微處理器選用了MOTOR

14、OLA公司Coldfire系列中的高性價(jià)比微處理器芯片MCF5272。32位數(shù)據(jù)、地址總線，SDRAM接口，四個(gè)16位定時(shí)器，三通道PWM輸出，主頻達(dá)66MHz。MCF5272具有很強(qiáng)的通信能力，含有一個(gè)10M全雙工或100M半雙工以太網(wǎng)接口、一個(gè)USB1.1接口、兩個(gè)URAT，此外還有QSPI接口，特別適合于通信處理。3.2  DSP與MCU的分工協(xié)作    由圖四可見(jiàn)，系統(tǒng)主要由兩部分組成，以DSP為核心的交流采樣部分和以MCU為核心的數(shù)據(jù)通信部分，二者互相獨(dú)立而又相互協(xié)作。DSP主要負(fù)責(zé)監(jiān)控單元中的交流采樣任務(wù)，采集系統(tǒng)頻率，定

15、時(shí)控制AD轉(zhuǎn)換，讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果放在HPI存儲(chǔ)器中。對(duì)重要數(shù)據(jù)以硬中斷的方式通知MCU快速提取，一般數(shù)據(jù)則由MCU根據(jù)需要主動(dòng)讀取。MCU負(fù)責(zé)系統(tǒng)的通信任務(wù)，以總線或網(wǎng)絡(luò)的方式上傳給上級(jí)設(shè)備，并執(zhí)行上級(jí)設(shè)備下發(fā)的命令，同時(shí)承擔(dān)一些信號(hào)輸入、輸出等耗時(shí)較少的工作。為防止MCU和DSP間的相互影響，HPI總線通過(guò)245進(jìn)行了隔離。3.3  系統(tǒng)主要性能    交流采樣方面：基于上述TI的6通道快速采樣AD和高性能DSP芯片，測(cè)控單元每周波可采樣128點(diǎn)，除了計(jì)算一些常規(guī)的電壓、電流、有功、無(wú)功、功率因素外，采用快速傅立葉變換進(jìn)行高次諧波分析，計(jì)算諧波含量，計(jì)算正序、負(fù)序、零序分量，分析電網(wǎng)的不平衡度，分析輸入量的相位關(guān)系等等一些高級(jí)分析功能。    通信方面：（1）嵌入式以太網(wǎng)的應(yīng)用4。隨著變電站自動(dòng)化程度的提高以及高壓、超高壓大型變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，RS485總線、現(xiàn)場(chǎng)總線（如CAN、LonWorks等）通信方式已經(jīng)滿足不了要求，嵌入式以太網(wǎng)的